一种多相多绕组牵引传动系统及其控制方法与流程

本发明涉及电力牵引传动技术领域，尤其是涉及一种多相多绕组牵引传动系统及其控制方法。

背景技术：

为了满足电力牵引传动系统高可靠性、高效率、大功率等方面的要求，现有的牵引传动系统控制方法通常采用多相电机结构或者是多绕组电机结构。采用多相绕组结构的电机随着电机相数的增多，谐波电流、谐波磁动势和谐波转矩脉动的最低次数都将提高，特别是转矩脉动的减小，可大大降低调速系统的运行噪声和机械振动。但是，由于牵引系统运行工况复杂多变，负载大小由于牵引速度变化而变化，采用单个多相变流器驱动的牵引系统在轻载时，效率下降较快，系统效率无法达到最优。多绕组结构在电机定子上安装多套独立的三相绕组，增加了系统的冗余度和可靠性。同时，由于多绕组电机是以三相绕组为基础，因此并不完全具备多相电机的特征。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种多相多绕组牵引传动系统及其控制方法，以解决现有牵引传动系统及其控制方法系统可靠性低，运行效率低下，运行噪声和转矩脉动大的技术问题。

为了实现上述发明目的，本发明具体提供了一种多相多绕组牵引传动系统的技术实现方案，一种多相多绕组牵引传动系统，包括：

相数为m，每相包括n个绕组的多相多绕组电机，m≥3，n≥2；

n个多相变流器模块，所述多相变流器模块包括m相相互并联的桥臂，每相桥臂的中点均与所述多相多绕组电机一相中的一个绕组相连；每相绕组均引出n个接线端子，并由n个所述多相变流器模块分别独立驱动；

n个分控单元，每个分控单元均与一个多相变流器模块相连；

主控单元，所述主控单元与n个分控单元相连。

优选的，同一相中n个绕组配置为功率一致或功率不一致，以满足所述多相多绕组电机在不同工况下的需求。

优选的，所述主控单元与分控单元之间的数据传输通过包括背板总线、rs485、can总线或以太网在内的数据通信方式实现。

优选的，所述主控单元向所述分控单元下发控制指令，并根据所述分控单元反馈的数据，对所述分控单元及多相变流器模块的工作情况进行优化配置；所述分控单元对所述多相变流器模块的数据进行采集和控制。

优选的，所述主控单元实时采集所述分控单元的数据，并综合所述分控单元的数据，判断是否需要对当前投入的绕组进行优化配置。若当前不需要现有的多个绕组对所述多相多绕组电机进行供电时，可减少投入所述绕组和多相变流器模块，并选择能使所述多相变流器模块效率最高的绕组组合模式投入，以提高多相多绕组牵引传动系统的效率。

优选的，当某个多相变流器模块的某相或与该相相连的所述绕组发生故障，所述主控单元通过所述分控单元控制该多相变流器模块退出运行，并控制其它正常工作的绕组和多相变流器模块，所述多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并降低功率运行。

优选的，当某个多相变流器模块的某相或与该相相连的所述绕组发生故障，所述主控单元通过所述分控单元控制该多相变流器模块的该相退出运行，并控制其它正常工作的绕组和多相变流器模块，所述多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并降低功率运行。

优选的，当某个所述多相变流器模块的某相或与该相相连的所述绕组发生故障，所述主控单元通过所述分控单元控制所有多相变流模块的该相退出运行，并控制其它正常工作的绕组和多相变流器模块，所述多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并按照多相多绕组电机缺相控制继续运行。

本发明还另外具体提供了一种基于上述多相多绕组牵引传动系统的控制方法，包括以下步骤：

s101)分控单元对多相变流器模块的数据进行采集和控制，主控单元实时采集所述分控单元的数据，并综合所述分控单元的数据，判断是否需要对当前投入的绕组进行配置调整；

s102)若所述主控单元判断当前不需要现有的多个绕组对多相多绕组电机进行供电时，可减少投入所述绕组和多相变流器模块，并选择能使所述多相变流器模块效率最高的绕组组合模式投入，以提高所述多相多绕组牵引传动系统的效率；

s103)若所述主控单元判断不需要对当前投入的绕组进行配置调整，则保持当前状态。

优选的，所述方法还包括以下步骤：

当所述分控单元检测到某个多相变流器模块的某相或与该相相连的所述绕组发生故障，所述分控单元将故障检测信号传输至所述主控单元，所述主控单元通过所述分控单元控制该多相变流器模块退出运行，并控制其它正常工作的绕组和多相变流器模块，所述多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并降低功率运行。

优选的，所述方法还包括以下步骤：

当所述分控单元检测到某个多相变流器模块的某相或与该相相连的所述绕组发生故障，所述分控单元将故障检测信号传输至所述主控单元，所述主控单元通过所述分控单元控制该多相变流器模块的该相退出运行，并控制其它正常工作的绕组和多相变流器模块，所述多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并降低功率运行。

优选的，所述方法还包括以下步骤：

当所述分控单元检测到某个多相变流器模块的某相或与该相相连的所述绕组发生故障，所述分控单元将故障检测信号传输至所述主控单元，所述主控单元通过所述分控单元控制所述多相变流器模块的该相退出运行，并控制其它正常工作的绕组和多相变流器模块，所述多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并按照多相多绕组电机缺相控制继续运行。

通过实施上述本发明提供的多相多绕组牵引传动系统及其控制方法的技术方案，具有如下有益效果：

(1)本发明基于多相多绕组牵引传动结构，可以充分利用小功率器件的优异性能，实现小功率器件驱动大功率系统，同时小功率器件的开关频率也可以增加，从而实现牵引传动控制性能的大幅提升；采用多相多绕组电机，从本体上提高了最低次谐波电流、谐波磁动势和谐波转矩脉动的次数，可以降低牵引传动系统的运行噪声和机械振动；

(2)本发明基于多相多绕组传动结构，可以根据不同的运行工况，选择合适的电机绕组和变流器模块单元投入运行，克服了现有三相牵引系统在复杂多变的运行工况下效率低的技术问题；

(3)本发明基于多相绕组结构，在电机或者是变流器的某些相发生故障时，可以利用其他相的控制以继续保持电机的正常工作，从而实现牵引传动系统的容错运行，提升了系统的可靠性，并且有多种容错运行模式可以选择。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的实施例。

图1是本发明多相多绕组牵引传动系统一种具体实施例的连接结构示意图；

图2是本发明多相多绕组牵引传动系统一种具体实施例的系统结构组成示意图；

图3是本发明多相多绕组牵引传动系统一种具体实施例的控制架构示意图；

图4是本发明多相多绕组牵引传动系统一种具体实施例容错控制模式一的示意图；

图5是本发明多相多绕组牵引传动系统一种具体实施例容错控制模式二的示意图；

图6是本发明多相多绕组牵引传动系统一种具体实施例容错控制模式三的示意图；

图7是本发明多相多绕组牵引传动系统控制方法一种具体实施例的程序流程图；

图中：1-主控单元，2-分控单元，3-多相变流器模块，4-多相多绕组电机，5-桥臂，6-绕组，21-第一分控单元，22-第二分控单元，23-第三分控单元，2n-第n分控单元，31-第一多相变流器模块，32-第二多相变流器模块，33-第三多相变流器模块，3n-第n多相变流器模块。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

如附图1至附图7所示，给出了本发明多相多绕组牵引传动系统及其控制方法的具体实施例，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例1

如附图1和附图2所示，一种多相多绕组牵引传动系统的具体实施例，包括：

相数为m，每相包括n个绕组6的多相多绕组电机4，m≥3，n≥2；

n个多相变流器模块3，多相变流器模块3包括m相相互并联的桥臂5，每相桥臂5均包括一对彼此串联的上开关管和下开关管；每相桥臂5的中点(即上开关管与下开关管之间的连接点)均与多相多绕组电机4一相中的一个绕组6相连；每相绕组6均引出n个接线端子，并由n个多相变流器模块3分别独立驱动；

n个分控单元2，每个分控单元2均与一个多相变流器模块3相连；

主控单元1，主控单元1与n个分控单元2相连。

多相多绕组电机4的相数m可以取为大于或等于3的正整数，如附图2中所示多相多绕组电机4的相数m为5。每相绕组6与普通电机引出一个接线端不同，在本实施例1中，每相绕组6可以引出n个接线端子，并由n个多相变流器模块3独立驱动，多相变流器模块3的功率与绕组6配套，n可以取为大于或等于2的正整数，如附图2中所示多相多绕组电机4的每相绕组6数量为3。其中，同一相中n个绕组6可以配置为功率一致或功率不一致，以满足多相多绕组电机4在不同工况下的需求。在附图2所示的实施例中，分控单元2包括第一分控单元21、第二分控单元22和第三分控单元23，多相变流器模块3包括第一多相变流器模块31、第二多相变流器模块32和第3多相变流器模块33。

主控单元1与分控单元2之间的数据传输通过包括机箱背板总线、rs485(一种基于串口的通讯接口)、can(controllerareanetwork，控制器局域网络的简称)总线或以太网在内的数据通信方式实现。

如附图3所示，在控制系统的构架上，包括一个主控单元1和多个与多相变流器模块3(图中多相变流器模块3包括第一多相变流器模块31、第二多相变流器模块32、…、第n多相变流器模块3n)数量对应的分控单元2(图中分控单元2包括第一分控单元21、第二分控单元22、…、第n分控单元2n)。主控单元1向分控单元2下发控制指令，并根据分控单元2反馈的数据，对分控单元2及多相变流器模块3的工作情况进行优化配置。分控单元2对多相变流器模块3的数据进行采集和控制。

由于多相多绕组牵引传动系统的功率时刻在发生变化，因此可以对多相多绕组牵引传动系统进行优化配置。主控单元1实时采集分控单元2的数据，并综合分控单元2的数据，判断是否需要对当前投入的绕组6进行优化配置。若当前不需要现有的多个绕组6对多相多绕组电机4进行供电时，可以减少投入绕组6和多相变流器模块3，并选择能使多相变流器模块3效率最高的绕组6组合模式投入，以提高多相多绕组牵引传动系统的效率。例如：当多相多绕组牵引传动系统的输出功率降低时，可以主动切换掉其中的几套绕组6，将每套绕组6分散的电流集中到少数工作的绕组6上来，从而改善电流谐波和降低多相变流器模块3的损耗，进一步提高系统的运行效率。

多相多绕组电机4的n个绕组6由独立的n个m相的变流器模块驱动，如果多相多绕组电机4的绕组6或多相变流器模块3的某相发生故障，主控单元1仍然可以控制其它正常的绕组6和多相变流器模块3，使多相多绕组牵引传动系统可以在故障情况下继续运行，从而提高多相多绕组牵引传动系统的可靠性和容错能力。

在本实施例中，当故障发生后，多相多绕组牵引传动系统可以采用如下三种模式继续运行。

模式一：当某个多相变流器模块3的某相或与该相相连的绕组6发生故障，主控单元1通过分控单元2控制该多相变流器模块3退出运行，该多相变流器模块3和与之相连的绕组6之间的连接断开。并控制其它正常工作的绕组6和多相变流器模块3，多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并降低功率运行，此时多相多绕组电机4的控制方法仍然为故障发生之前的方法，只是故障后功率需降额运行。以附图2所示的5相3绕组牵引传动系统为例，假设第一多相变流器模块31中的第二相或者与之相连的绕组6发生故障，则控制整个第一多相变流器模块31退出运行，整个第一多相变流器模块31和与之相连的绕组6之间的连接断开，此时得到的牵引传动系统电气连接结构如附图4所示。

模式二：当某个多相变流器模块3的某相或与该相相连的绕组6发生故障，主控单元1通过分控单元2控制该多相变流器模块3的该相退出运行，该多相变流器模块的该相桥臂5和与之相连的绕组6之间的连接断开。并控制其它正常工作的绕组6和多相变流器模块3，多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并降低功率运行。此时多相多绕组电机4的控制策略需要进行相应调整，由于只断开一个绕组6供电，牵引传动系统的输出功率相对于模式一下降较少。以附图2所示的5相3绕组牵引传动系统为例，假设第一多相变流器模块31中的第二相或者与之相连的绕组6发生故障，只控制第一多相变流器模块31的第二相退出运行，第一多相变流器模块31的第二相桥臂5和与之相连的绕组6之间的连接断开，此时得到的牵引传动系统电气连接结构如附图5所示。

模式三：当某个多相变流器模块3的某相或与该相相连的绕组6发生故障，主控单元1通过分控单元2控制所有多相变流器模块3的该相退出运行，所有多相变流器模块3的该相桥臂5和与之相连的绕组6之间的连接断开，即与该相对应的多相多绕组电机4的整相绕组6断开。并控制其它正常工作的绕组6和多相变流器模块3，多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并按照多相多绕组电机4缺相控制继续运行。以附图2所示的5相3绕组牵引传动系统为例，假设第一多相变流器模块31中的第二相或者与之相连的绕组6发生故障，则控制三个多相变流器模块3(即第一多相变流器模块31、第二多相变流器模块32和第三多相变流器模块33)的第二相都退出运行，第一多相变流器模块31、第二多相变流器模块32和第三多相变流器模块33的第二相桥臂5和与之相连的绕组6之间的连接均断开，此时得到的牵引传动系统电气连接结构如附图6所示。

本实施例描述的多相多绕组牵引传动系统技术方案采用多相多绕组电机4和对应的多相变流器模块3，融合了多绕组电机和多相电机牵引系统的优点，不仅增加了系统的可靠性，还可以提高牵引传动系统的运行效率，降低转矩脉动和噪声。

实施例2

如附图7所示，一种基于实施例1所述多相多绕组牵引传动系统的控制方法的具体实施例，包括以下步骤：

s101)分控单元2对多相变流器模块3的数据进行采集和控制，主控单元1实时采集分控单元2的数据，并综合分控单元2的数据，判断是否需要对当前投入的绕组6进行配置调整；

s102)若主控单元1判断当前不需要现有的多个绕组6对多相多绕组电机4进行供电时，可以减少投入绕组6和多相变流器模块3，并选择能使多相变流器模块3效率最高的绕组6组合模式投入，以提高多相多绕组牵引传动系统的效率；

s103)若主控单元1判断不需要对当前投入的绕组6进行配置调整，则保持当前状态。

多相多绕组牵引传动系统控制方法还进一步包括以下步骤：

当分控单元1检测到某个多相变流器模块3的某相或与该相相连的绕组6发生故障，分控单元2将故障检测信号传输至主控单元1，主控单元1通过分控单元2控制该多相变流器模块3退出运行，并控制其它正常工作的绕组6和多相变流器模块3，多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并降低功率运行。

多相多绕组牵引传动系统控制方法还进一步包括以下步骤：

当分控单元1检测到某个多相变流器模块3的某相或与该相相连的绕组6发生故障，分控单元2将故障检测信号传输至主控单元1，主控单元1通过分控单元2控制该多相变流器模块3的该相退出运行，并控制其它正常工作的绕组6和多相变流器模块3，多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并降低功率运行。

多相多绕组牵引传动系统控制方法还进一步包括以下步骤：

当分控单元1检测到某个多相变流器模块3的某相或与该相相连的绕组6发生故障，分控单元2将故障检测信号传输至主控单元1，主控单元1通过分控单元2控制所有多相变流器模块3的该相退出运行，并控制其它正常工作的绕组6和多相变流器模块3，多相多绕组牵引传动系统在故障情况下继续工作并按照多相多绕组电机4缺相控制继续运行。

通过实施本发明具体实施例描述的多相多绕组牵引传动系统及其控制方法的技术方案，能够产生如下技术效果：

(1)本发明具体实施例描述的多相多绕组牵引传动系统及其控制方法基于多相多绕组牵引传动结构，可以充分利用小功率器件的优异性能，实现小功率器件驱动大功率系统，同时小功率器件的开关频率也可以增加，从而实现牵引传动控制性能的大幅提升；采用多相多绕组电机，从本体上提高了最低次谐波电流、谐波磁动势和谐波转矩脉动的次数，可以降低牵引传动系统的运行噪声和机械振动；

(2)本发明具体实施例描述的多相多绕组牵引传动系统及其控制方法基于多相多绕组的传动结构，可以根据不同的运行工况，选择合适的电机绕组和变流器模块单元投入运行，克服了现有三相牵引系统在复杂多变的运行工况下效率低的技术问题；

(3)本发明具体实施例描述的多相多绕组牵引传动系统及其控制方法基于多相绕组结构，在电机或者是变流器的某些相发生故障时，可以利用其他相的控制以继续保持电机的正常工作，从而实现牵引传动系统的容错运行，提升了系统的可靠性，并且有多种容错运行模式可以选择。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭示如上，然而并非用以限定本发明。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明的精神实质和技术方案的情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同替换、等效变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围。